浅谈“非主流”光伏技术

 浅谈“非主流”光伏技术，是一个科普文章系列。因为是“非主流”，所以这个系列的文章不着重介绍并网光伏技术，而从其他周边不被了解的技术入手进行介绍，达到科普的目的。这个系列的文章主要介绍电网、电气一次、电气二次、微网系统、风力发电系统等其他新能源系统、物联网技术、智能电网技术、以及现在比较热门的“能源互联网”。

一、为什么并网难，电站限电，是因为电网垄断吗？

火力发电是利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。我国的煤炭资源丰富，火力发电占比有绝对的优势。

发电系统是由励磁机、励磁盘、发电机、变压器、高压断路器、升压站、配电装置等组成。发电是励磁机（永磁机）发出高频电流，副励磁机发出的电流经过励磁盘整流，再送到主励磁机，主励磁机发出电后经过调压器以及灭磁开关经过碳刷送到发电机转子，当发电机转子通过旋转其定子线圈便感应出电流，强大的电流通过发电机出线分两路，一路送至厂用电变压器，另一路则送到SF6高压断路器，由SF6高压断路器送至电网。（是不是相当复杂）

与光伏相比，火力发电机组的容量要大的多。至少30MW起步，目前最大单机容量1GW。而且不看天吃饭，有煤就行。

图1-1

如上图所示，b变电站高峰时期最大负荷为63MW，a变电站下面有两个火电厂出力48MW，由于b变电站下面的负载A和B是可变负载，并不是所有时刻都工作在最大负荷，所以大部分时刻a、b变电站的负荷是平衡的。如果有功率过剩或者功率不足可以通过A变电站进行调节。

图1-2

如图1-2所示，新增了一个c变电站和2个总功率为60MW的光伏电站，一般情况下，整个电网的潮流方向为c-A、c-b、a-b、a-A；但是如果A变电站出现故障，a、b、c三个变电站就相当与处在孤网运行状态（不是孤岛状态）。当白天b变电站需求功率大于a变电提供的功率时，c变电站可以出力，由于光伏出力过大，需要限电；当b变电站的需要功率小于a变电站提供功率，如果c变电站继续出力，整个电网就会崩溃，所以需要将c变电站解裂（切除）。

有很多读者会问，为什么不限制火力发电出力，或者白天直接切断火力发电机，使用太阳能发电。在解释这个问题之前，我先举一个例子，我们平时驾驶汽车的时候经常会遇见堵车，堵车时间长了，我们会熄火。因为即使汽车的档位空档状态，发动机的转速仍然会保持在1000转，发动机依然会耗费汽油。根据能量守恒原理，汽油在汽缸里燃烧时能量没有转换成机械能（车辆行驶）就只能转化成热量，造成浪费，夏天高温时甚至会引起自然。
 

汽车的发动机和火电厂的发电机组原理类似，都是化石能源转化为机械能或者电能。发动机空档时发动机有一个1000的转速。同理我们国家的电网有一个固定的频率，频率的固定数值是50Hz，有一个偏差范围，49.5hz-50.2hz。这个频率是靠发电机的转子的固定转速来维持的。火力发电机大部分是同步发电机的，也就是它的频率是和转速成正比的。有功功率对应频率，发电厂控制的是频率，也就是发电机的转速，如果频率高了，就降一点。如果有功负荷低了，频率就上升，发电机转速升高，然后它就降转速，使之平衡。

一般情况下，社会用电的总功率大致遵循一条曲线，发电厂按照这个曲线决定投放燃料，如果用电功率出现突降，这类带有很大惯性的设备是没法跟着同步降下来的，最多只能逐步降下来，在此期间的煤炭燃烧的热量会大于需求量，多出的部分只能通过冷却塔散失到空气里，非常浪费。

火力发电机组还有一个特点，启停一次非常麻烦。启动的时候需要重新点火，锅炉需要重新加温。这个过程需要50多个小时，需要各种燃料几十万元。从经济和社会用电安全角度来说我们只能切除光伏用电，不能影响火电。

二、新能源发电的间歇性和电力谐波

很多人说光伏电是“垃圾电”电能质量差，电网不愿意收，所以不好并网和送出。对于这一点我们必须承认。光伏发电有一个缺点就是间歇性。只有白天能发，晴天能多发。这一点会给电网带来不小的麻烦，特别是大型地面电站，所以电网会要求大型地面电站安装光功率预测装置，这种装置是提高电网调峰能力、增强电网接纳光电的能力、改善电力系统运行安全性与经济性的最为有效、经济的手段之一。从发电企业角度考虑，精准的光伏功率预测将使得光电可以积极地参与市场竞争，规避由供电的不可靠性而受到的经济惩罚。

光伏电站光伏功率预测系统主要是由数据采集、数据处理、物理建模、光伏功率预测软件、图形、报表和辅助模块等组成。（如图1-3）

由于了有准确的实时的气象数据，通过精确的算法可以预测出一个时间段后的光伏发电功率。如果功率有波动及时做出调整因为有了这个技术，风、光新能源的间歇性的问题得到了很好的解决。

图1-3

还有一种说法是光伏发电的谐波大，对电网有污染。

波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。图1-4给出了在一个简单的非线性电阻上施加正弦电压的例子，非线性电阻上电压和电流的关系随所给出的特性曲线变化。虽然该电阻上所加电压是理想正弦波，但流过其中的电流却是非正弦的，即出现了谐波畸变问题。当电压有较小增加时，电流可能成倍增加，并且其波形也将发生变化。

图1-4谐波

谐波的形状有很多种，我们可以简单的理解成只要不是标准的正弦波，就是谐波。下图1-6看上有一些复杂，代表的意思是发电机（G）发电通过升压变压器（T-1）送入电网（L）然后通过降压变压（T-2）送到负荷处。

图1-5

JXd、JXT1这些符号都是变压器和线路的阻抗（也可以简单认为是电阻）各种线路和设备的阻抗都是非线性的，都会产生各种各样的谐波。

电力系统的谐波源，按其非线性特性分类主要有三大类：

（1）铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。

（2）电子开关型：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM变频器等电力电子设备。

（3）电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。

图1-5显示的就是铁磁饱和型谐波源。

光伏发电中的并网逆变器和风力发电中的风电变流器属于电力电子设备，是会向电网中输入谐波。图1-8中分别显示了50Hz下电压和电流的标准波形（平滑），用MATLAB仿真结果。

图1-6

图1-7

图1-7中的波形为逆变器实际输出的电压、电流（锯齿形）波形，实际上并网逆变器输入电网的电能中是含有大量的直流分量的，这一点不可以否认。电力电子设备的谐波含量在IEC是有标准的并网逆变器应该小于3%。

谐波的危害很大，对电力系统和家用电器都有很大的危害。

2.1 对电力系统变压器接点的影响

变压器在基波频率时的损耗最小，但其附加发热受电压畸变影响较大，尤其还受电流畸变的较大影响。负荷电流含有谐波时，将在三个方面引起变压器发热的增加：

2.1.1 有效值电流

如果变压器容量正好与负荷容量相同，那么谐波电流将使得有效值电流大于额定值。总有效值电流的增加会引起导体损耗增加。

2.1.2 涡流损耗

涡流是由磁链引起的变压器的感应电流。感应电流流经绕组、铁芯以及变压器磁场环绕的其它导体时，会产生附加发热。这部分损耗以引起涡流的谐波电流的频率的平方增加。因此，该损耗是变压器谐波发热损耗的重要组成部分。

2.1.3 铁芯损耗

考虑谐波时，铁损的增加取决于谐波对外加电压的影响以及变压器铁芯的设计。电压畸变的增加将使得铁芯叠片中涡流电流增加，总的影响取决于铁芯叠片的厚度以及钢芯的质量。由谐波引起的这部分损耗的增加，与前两种情况下相比通常较小。

2.2 谐波对通讯的干扰

配电系统或终端用户设备中的谐波电流，将对同一路径中的通迅线路产生干扰。谐波电流在相应并联导线中感应的电压频率通常在音频范围内。一般情况下，540Hz（9次，基波为频率60Hz）至1200Hz范围内的谐波产生的干扰危害性较大。在三相四线系统中三倍频谐波（3次、9次、15次）最容易引起问题。因为这些谐波在三相中相位相同，它们在中线直接相加，从而对通讯线路产生很大的干扰。

2.3 谐波对家用电气的干扰

2.3.1 谐波对计算机的影响

计算机厂家一般规定计算机和数据处理系统允许接受馈电电压的THDu为3%或5%。恶劣的电能质量的具体影响包括：使计算机数据混乱、指令地址出错、丢失记忆、程序破坏，还能使计算机使用的UPS工作失常。

2.3.2 对电脑自动控制的家用电器的影响

恶劣的电能质量也能破坏微电脑型家用电器的正常工作，甚至损坏电脑。例如，某家属楼低压电源在假日低谷负荷时的基波和谐波综合电压达到1.2倍额定电压，一台全自动洗衣机通电后，很快损坏两块电脑插件。

2.3.3 对电视机的影响

当谐波电压影响电源峰值电压时，能使电视机图像大小和亮度发生变化。0.5%的间谐波电压能引起电视图像翻滚。某些电视卫星发送站的电源电压中的5~13次谐波电压较大时，能影响信号传输，使电视屏幕上出现异常色带。

2.3.4 对家用电器的电容器的影响

洗衣机、某些日光灯和气体放电灯装有改善功率因数的并联电容器，在电源电压的谐波含有率较高时，会受到较大谐波电流，引起发热并减少寿命。

2.3.5 对白炽灯的影响

谐波电流和基波电流一样使白炽灯发热和发光，白炽灯对谐波影响并不敏感。但白炽灯的寿命是和电压的高次方成反比的，电压有效值升到比额定电压高1%（例如由THDu=14%而引起的），白炽灯寿命缩短12%以上。因此，谐波电压也会使白炽灯损失寿命。

目前对谐波的治理已经有非常成熟的技术，相关谐波抑制技术内容，将会在以后的文章中介绍。